高拱壩施工期間溫度控制及冷卻措施研究

摘要：以構(gòu)皮灘拱壩工程項(xiàng)目為依托，針對混凝土施工過程中由水化溫度荷載超標(biāo)引起的混凝土裂縫問題，采用溫度場應(yīng)力模擬法進(jìn)行不良應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)分析，建立改良溫度曲線控制模型，并就溫控曲線在局部溫控防裂中的應(yīng)用方法進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)采溫控信息，對溫控參數(shù)和溫控措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，驗(yàn)證了混凝土拉應(yīng)力的改良效果，有效避免了高拱壩溫度裂縫的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：高拱壩構(gòu)型;溫度應(yīng)力;通水冷卻；溫控防裂

0" "引言

水電站高拱壩建筑結(jié)構(gòu)中的大體積混凝土，受到體積約束和自身荷載的雙重影響，容易產(chǎn)生溫度裂縫，需采用骨料預(yù)冷和內(nèi)敷冷卻管的方式進(jìn)行人工冷卻控溫。

為深入分析大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分布，美國Dworsak高拱壩建設(shè)過程中采用DO-TDICE程序進(jìn)行有限元溫度場分析，建立了基礎(chǔ)的溫度分析模型。我國的劉寧教授基于三維空間應(yīng)力場分析技術(shù)，研發(fā)了混凝土溫度場模糊隨機(jī)有限元計(jì)算模型，改變了冷卻管的內(nèi)埋方式。基于此，本文在有限元應(yīng)力場分析基礎(chǔ)上，針對高拱壩結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行溫度曲線優(yōu)化，以提升溫度控制措施的精度，降低溫度荷載波動幅度。

1" "高拱壩溫度場應(yīng)力邊界分析

1.1" "工程環(huán)境

構(gòu)皮灘高拱壩坐落于貴州省余慶縣烏江流域，流域控制面積超過432.5萬ha，水庫調(diào)節(jié)庫容常年在28.7億m3以上，年平均高水位為630m，建成的水電站裝機(jī)容量位5×600MW，是貴州清潔能源生產(chǎn)標(biāo)志性工程。

為深入分析建設(shè)和維護(hù)過程中大壩的溫度場和應(yīng)力場變化特征，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀竽觇b資料[1]，對余慶縣內(nèi)溫度和氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，其中虛線所示數(shù)據(jù)為計(jì)算平均值，當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁貫?6.96℃，環(huán)境溫度波動幅度為±11.93℃，而其中最高溫度和日照時(shí)長兩因素可直接反映太陽輻射照度。

1.2" "混凝土特征

工程大規(guī)模使用的混凝土類型主要包括二級與三級碾壓混凝土、二級配變態(tài)混凝土和三級配常態(tài)混凝土以及一定量的混合石灰?guī)r。為提高應(yīng)力邊界分析精度，調(diào)整溫度冷卻曲線，系統(tǒng)檢測了模擬工況下的混凝土傳熱系數(shù)、抗壓能力和相變量等參數(shù)。設(shè)置模擬工況條件環(huán)境溫度為12℃，基本氣壓為900hPa，空氣濕度為94%[2]?；炷翙z測指標(biāo)如表1所示。

1.3" "施工期溫度應(yīng)力場

1.3.1" "熱傳導(dǎo)計(jì)算

溫度應(yīng)力場分析，需要結(jié)合圖1中的外界環(huán)境數(shù)據(jù)和表1中的混凝土特性數(shù)據(jù)進(jìn)行。在混凝土澆筑過程中，混凝土溫度上升是外部輻射、熱量交換和水泥水化3項(xiàng)主流熱流入的作用結(jié)果，單位體積內(nèi)混凝土熱傳導(dǎo)采用有限元單基礎(chǔ)公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下[3]：

（1）

式中：T表示溫度，單位為℃；t表示時(shí)間，單位為h；i為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為kJ/（m·℃）；" "、" "、" 表示坐標(biāo)方向上的溫度梯度變化二次導(dǎo)數(shù)；α表示混凝土絕熱升溫，單位為℃[3]。不同混凝土的i、α參數(shù)取值詳見表1。

1.3.2" "溫度場邊界與熱傳導(dǎo)模型分析

溫度場邊界與熱傳導(dǎo)模型如圖2所示。從圖2可以看出，主要存在4類交換邊界：一是水下壩面。此時(shí)壩體溫度主要受到水庫水溫影響，研究對象的水庫水溫年平均溫度為16.30℃，低于外界環(huán)境溫度。二是空氣界面。這部分壩體主要受到太陽輻射和環(huán)境溫度的影響，環(huán)境年平均溫度16.96℃。三是地基界面。此處溫度變化系數(shù)小于0.5%，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上分析可認(rèn)為溫度穩(wěn)定，取值為24℃。四是側(cè)向邊界，根據(jù)相關(guān)溫度模型分析可抽象為絕熱模型，不與外界進(jìn)行溫度交換[4]。而太陽輻射、水流紊動和對熱換熱過程均會影響溫度分布。

1.3.3" "大壩溫度場分布

利用泛函極值法進(jìn)行有限元分析，將大壩構(gòu)型按照不同曲率特征分解為若干有限單元，單元中的溫度變化與熱量的流入有關(guān)，其單位方向上T的變化率采用插值法進(jìn)行表示。利用ANSYS軟件內(nèi)置模塊建立溫度場分析模型，以為90d時(shí)間點(diǎn)為例，得到模型輸出的大壩溫度場分布如圖3所示。

2" "溫控曲線的優(yōu)化與應(yīng)用

2.1" "溫控曲線優(yōu)化

2.1.1" "冷卻方式分類及選取

冷卻通水是為了利用水流傳熱強(qiáng)化大體積混凝土自身傳熱。當(dāng)前多數(shù)高拱壩采用三期冷卻的方式，分為初期、中期和后期冷卻。要確保冷卻水引起的范圍內(nèi)的溫降梯度處于合理范圍內(nèi)，以避免溫度應(yīng)力變化幅度多大產(chǎn)生應(yīng)激型裂縫。其中初期冷卻分為降溫和控溫，中期與后期冷卻分為降溫和兩次控溫[5]。

2.1.2" "對溫控的要求

溫控曲線是通過改變冷卻水的溫度和流量，改變混凝土內(nèi)部的傳熱效率。在溫控過程中，標(biāo)高相同的混凝土冷卻后溫度大致相同，需要在固定時(shí)間點(diǎn)將其降至封拱溫度。由于大壩橫縫間隙需要控制在2mm以下，因此不同的壩體冷卻后的實(shí)際溫差應(yīng)該在1.5℃以下，優(yōu)化后的溫控曲線需要實(shí)現(xiàn)對各區(qū)域混凝土溫度分布的調(diào)整，使得溫降曲線在空間上分布平滑，時(shí)間上分布波動性小、穩(wěn)定性強(qiáng)。

2.1.3" "工況模擬

為實(shí)現(xiàn)此目的，本次研究在建立的ANSYS溫度場模型的基礎(chǔ)上[6]，根據(jù)工程建設(shè)時(shí)檢測的定點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，對不同的冷卻方法進(jìn)行工況模擬，分析模型的溫度應(yīng)力變化，以便分析大壩溫度分布，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。

溫控曲線相關(guān)參數(shù)，需根據(jù)測定的實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)和混凝土特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，以使選取的控制溫度適應(yīng)于目標(biāo)建設(shè)項(xiàng)目施工。溫控曲線計(jì)算時(shí)的環(huán)境溫度采用表1中數(shù)據(jù)，施工澆筑溫度選擇標(biāo)準(zhǔn)的12℃。根據(jù)大壩澆筑過程中混凝土類型的不同，模型參數(shù)參考測定數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。

大壩建設(shè)過程中，上壩面采取涂層保溫模式。散熱系數(shù)根據(jù)材料厚度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置為常散熱系數(shù)的45%。倉面散熱系數(shù)與風(fēng)速有關(guān)，設(shè)當(dāng)?shù)厝昶骄L(fēng)速為1.6m/s，計(jì)算所得光滑界面的散熱系數(shù)為19.99，粗糙界面的散熱系數(shù)為22.59[7]。按照24℃進(jìn)行計(jì)算，得到的溫控曲線如圖4所示。

優(yōu)化后的溫控曲線對冷卻水的溫度控制提出了更高的要求，因此在實(shí)際實(shí)施的過程中，必須通過溫度傳感器建立有效地信息反饋處理方案，通過及時(shí)調(diào)整水溫和水量達(dá)到精準(zhǔn)控溫的目的。

2.2" "溫控曲線的應(yīng)用

2.2.1" "綜合控制的必要性

在施工過程中，智能供水系統(tǒng)可現(xiàn)實(shí)連續(xù)冷卻水降溫，但冷卻水的溫度調(diào)節(jié)過程在時(shí)間上具有一定滯后性，因此需要建立起復(fù)合式的調(diào)節(jié)體系，根據(jù)實(shí)際混凝土監(jiān)測溫度對水溫和水量進(jìn)行綜合控制。采用連續(xù)流的溫控模式，可使溫度控制波動在1℃/d以內(nèi)[8]?；炷翜囟鹊陀?5℃后，通水溫度根據(jù)設(shè)定好的溫控曲線進(jìn)行調(diào)整。采用階段性續(xù)流冷卻法，制冷機(jī)在冷卻周期內(nèi)24h同功率交替式運(yùn)轉(zhuǎn)，采用自動流量控制系統(tǒng)即可控制冷卻流量。

2.2.2" "控制方法

首先需要設(shè)置自動給水系統(tǒng)的初始水溫、水量，通過自動給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的冷卻。每12h根據(jù)溫度曲線設(shè)定一次預(yù)設(shè)溫度，系統(tǒng)初始水溫為12℃。通過設(shè)置在混凝土溫度監(jiān)測點(diǎn)的傳感器反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度偏差分析，將實(shí)際溫度與模型計(jì)算溫度進(jìn)行對比，判斷工況運(yùn)行是夠符合預(yù)期。當(dāng)實(shí)際溫度偏差大于0.25℃時(shí)，同向調(diào)整通水溫度和流量，偏差較小采用流量控制，偏差較大則要調(diào)整制冷設(shè)備運(yùn)行功率。當(dāng)同位置出現(xiàn)兩次以上的偏差反饋時(shí)，需要人工進(jìn)行干涉處理。

2.2.3" "連續(xù)冷卻法的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的溫控模式相比，連續(xù)冷卻法更依賴模型的數(shù)據(jù)分析處理以及深度學(xué)習(xí)的能力。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，隨著工程數(shù)據(jù)量的增加，計(jì)算參數(shù)可進(jìn)行精確化調(diào)整，混凝土冷卻至封拱溫度后，冷卻水溫度和水量控制難度會逐步降低，冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，冷卻效果較好。

3" "裂縫預(yù)防效果

優(yōu)化后的溫度曲線采用溫度遞減的連續(xù)流冷卻法，連續(xù)流冷卻法改變了混凝土溫度變化速率?T/?t，采用ANSYS軟件對其進(jìn)行模擬分析，在180d達(dá)到封拱溫度的條件下，壩體應(yīng)力變化幅度為±0.5MPa，整體應(yīng)力變化均勻，全階段處于混凝土應(yīng)力安全曲線變化范圍內(nèi)。

由于連續(xù)流降溫曲線平滑，單位時(shí)間內(nèi)溫度變化速率導(dǎo)數(shù)極值小，因此在相同的冷卻時(shí)間內(nèi)，不同有限分析元中的混凝土溫度差異小，反映出壩體整體溫度分布更為均勻。系統(tǒng)預(yù)測的裂縫開度在0.8～1.1mm之間，滿足開度需求且遠(yuǎn)小于2mm。該工況條件下130d后，應(yīng)力值波動增加，季節(jié)性氣溫變化，容易導(dǎo)致溫度分布不均勻和水溫控制偏離溫度曲線，對此在實(shí)際施工過程中需提前預(yù)防。

4" "結(jié)束語

本文以構(gòu)皮灘大壩為對象，分類測定施工選用的混凝土的特征數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒建立針對工程實(shí)況的氣象信息數(shù)據(jù)庫，在傳統(tǒng)ANSYS軟件有限元模型基礎(chǔ)上，建立針對專一項(xiàng)目的大壩溫度場與應(yīng)力場分析模型，確定了熱傳導(dǎo)邊界條件。在建立有限元模型基礎(chǔ)上，針對通水冷卻方法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合氣相數(shù)據(jù)與混凝土特征數(shù)據(jù)，建立了連續(xù)流溫度冷卻曲線。優(yōu)化后的冷卻曲線則需采用自動控溫給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。施工過程中，采用自動給水控制系統(tǒng)、溫度傳感技術(shù)和模擬模型，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)混凝土溫度控制。模型預(yù)測表明，此方法可有效控制裂縫開度。

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